WSN农田自由分区农产品生产履历采集方法及系统

摘要

本发明提供了一种在WSN农田自由分区下进行的农产品生产履历采集的方法及系统，该系统包括：农产品履历信息采集终端、服务器端以及客户端。农产品履历信息采集终端，包括若干个WSN环境信息采集节点及便携式信息采集终端，WSN环境信息采集节点用于采集农田环境信息，便携式信息采集终端用于采集农事、农情及病虫害图像信息，基于上述系统的生产履历采集方法能够利用无线传感器的布局，对农事农情和病虫害信息的采集位置进行WSN分区和定位，达到利用农作物的位置实现作物生长期的全程信息记录，保证记录的信息与作物的准确对应，同时也简化了信息采集的操作。

权利要求

1.一种基于WSN农田自由分区的农产品生产履历采集系统的采集方法，其特征在于，该系统包括：农产品履历信息采集终端、服务器以及客户端；

其中，农产品履历信息采集终端，包括若干个WSN环境信息采集节点及便携式信息采集终端，WSN环境信息采集节点用于采集农田环境信息，便携式信息采集终端用于采集农事、农情信息及病虫害图像信息；

服务器，用于根据若干个WSN环境信息采集节点在农田中的位置绘制WSN节点地图并向便携式信息采集终端提供WSN节点地图，接收WSN环境信息采集节点和便携式信息采集终端上传的信息，以及响应客户端查询请求并提供农产品履历信息；

客户端，用于访问服务器以追溯农产品的生产履历；

基于所述系统的方法包括：

S1:利用若干个WSN环境信息采集节点进行无线传感器网络的布局；

S2：服务器根据无线传感器网络中若干个WSN环境信息采集节点的位置绘制WSN节点地图；

S3:WSN环境信息采集节点定时采集农田环境的信息，并上传至服务器；

S4:便携式信息采集终端从服务器下载WSN节点地图；

S5：便携式信息采集终端接收附近的WSN环境信息采集节点的信号，通过WSN节点定位方法确定其所在位置，并在便携式信息采集终端的WSN节点地图中显示其位置；便携式信息采集终端的WSN模块与位置固定的WSN节点通信，设备通过信号强度判断待定位节点与各固定位置的WSN节点的距离，通过与多个WSN节点之间的距离计算待定位节点的位置；

S6：根据便携式信息采集终端的位置在WSN节点地图上对农田进行自由分区；根据便携式信息采集终端的触摸屏上对定位点之间、WSN节点之间以及定位点和WSN节点之间进行自由连线；根据终端和WSN节点的位置，通过连线构造任意形态、任意大小的多边形，对整片农田进行任意分区；其中，分区信息可记录为：所在农田名称+分区ID+分区顶点1坐标信息+分区顶点2坐标信息+……+分区顶点n坐标信息，其中顶点1到顶点n的排序为顺时针排序；

S7:在便携式信息采集终端选取分区进行农事农情的记录；其中，信息记录的最小单位不是地块，同一地块内可以细分；基于定位的自由分区使得农事农情的记录准确与作物的位置相对应，操作人员无须在记录信息时手工添加地块编号；

S8:利用便携式信息采集终端采集农田图像信息；

S9：便携式信息采集终端将所采集的农事农情、农田图像信息以及计算后的定位、分区信息上传至服务器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：利用若干个WSN环境信息采集节点进行无线传感器网络的布局，控制布局密度以保证便携式信息采集终端能够同时与3个或以上的WSN环境信息采集节点进行通信。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述WSN节点定位方法具体包括：S11：便携式信息采集终端向其附近的若干个WSN环境信息采集节点发送定位请求信息；

S12：WSN环境信息采集节点接收到定位请求信息后回复定位信息；

S13：便携式信息采集终端接收到定位信息后，判断该定位信息是否是对应回复本便携式信息采集终端的定位信息，若是则存储该定位信息，并记录该定位信号的接收功率，否则忽略此定位信息；

S14：便携式信息采集终端根据定位信号的发射和接收功率计算与各个节点的距离；

S15：便携式信息采集终端根据与各个节点的距离计算其位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S14具体包括：根据固定位置的WSN采集节点之间的距离、定位信号的发射和接收功率，利用如下公式，通过最小二乘法对通用路径损耗指数η进行计算，公式如下所示：其中，d为接收端与发射端之间的距离，Pr(d)是距离为d时定位信号的接收功率，Pt是定位信号的发射功率，η为与环境有关的路径损耗指数；

根据η、Pr(d)及Pt，通过下式：

计算便携式信息采集终端与各个节点的距离。

说明书

WSN农田自由分区农产品生产履历采集方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及农产品信息采集技术领域，具体涉及一种WSN农田自由分区农产品生产履历采集方法及系统。

背景技术

[0002] 加强“农产品的源头管理与卫生安全”已成为全社会关注的焦点与当前农产品生产的重要的课题。农产品生产过程中的管理信息如喷药、施肥和病虫害防治等信息得到消费者的广泛关心，而在大面积农田管理中，如何对农业生产过程中的农事、农情、农田环境等信息进行如实记录，建立农产品履历，为食品溯源提供详细信息，是保证食品安全有效途径。在大面积农业生产中，如何对每一小块农作物的生产履历进行高效采集，达到方便记录和精确记录的目的，研究人员开发了相应的农产品生产履历采集终端和系统。

[0003] 周超等在《温室农产品生产履历采集器》(CN202798981U)中公开了一种农产品生产履历采集器，携带传感器和摄像头支持环境信息的采集和图像的采集，支持数据的zigbee传输；杨信廷等在《蔬菜生产履历采集系统》(CN202331565U)中提出采用PDA或手持终端进行地块的蔬菜农事、农情信息以及对应地块号的采集，将采集的信息向服务器进行传输；李文勇等在《农作物多源履历信息采集器，采集装置及采集系统》(CN202331779U)中公开了一种农作物履历采集系统，采集农田环境信息通过Zigbee射频模块信息的无线传输；饶瑞佶等在《GPS,GIS,FS应用于作物生产履历建立与田间生产管理》采用配备GPS的PDA作为信息采集平台，用以采集农事农情信息。

[0004] 从已公开的文献可以发现，现存的系统设备在采集农产品生产履历信息时，采集的内容比较单一，很多农田环境信息或农情信息在采集完成后，为了使信息和农作物能够准确对应，需要对信息进行进一步的加工处理，如添加文字备注、生成条码、对地块进行人工编号、将采集的信息与地块编号进行对应等。文字备注，生成条码的方法存在着操作复杂，描述不清等问题；而若采用人工对地块进行划分标号，则只能对同一地块做同样信息标注，在实际生产过程中，同一地块在农事操作、农情信息可能存在不同情况，操作不灵活，特别是对于大的地块，不能实现信息和作物位置的准确对应，不适用于大量地块、大量信息的信息处理。一些设备和采集过程则通过现存系统、设备在进行农产品生产履历信息采集的过程中按照地块进行数据的采集或者采用GPS定位确定数据采集的具体位置，但是若采用GPS定位则需要设备配备GPS模块，大大增加了采集设备的成本。

发明内容

[0005] (一)解决的技术问题

[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种农产品履历采集方法和系统用以采集农产品生产过程中的农事操作、农情、农田环境、病害情况，能够利用已有的无线传感器的布局，对信息采集位置进行WSN(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)定位和通过定位实现农田自由的区域划分，为农事农情和病虫害信息的采集位置和区块记录提供便利，达到利用农作物的位置实现作物生长期的全程信息记录，保证记录的信息与作物的准确对应，同时也简化了信息采集的操作。

[0007] (二)技术方案

[0008] 为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

[0009] 一种基于WSN农田自由分区的农产品生产履历采集系统的采集方法，该系统包括：农产品履历信息采集终端、服务器以及客户端；

[0010] 其中，农产品履历信息采集终端，包括若干个WSN环境信息采集节点及便携式信息采集终端，WSN环境信息采集节点用于采集农田环境信息，便携式信息采集终端用于采集农事、农情信息及病虫害图像信息；

[0011] 服务器，用于根据若干个WSN环境信息采集节点在农田中的位置绘制WSN节点地图并向便携式信息采集终端提供WSN节点地图，接收WSN环境信息采集节点和便携式信息采集终端上传的信息，以及响应客户端查询请求并提供农产品履历信息；

[0012] 客户端，用于访问服务器以追溯农产品的生产履历；

[0013] 该方法包括：

[0014] S1:利用若干个WSN环境信息采集节点进行无线传感器网络的布局；

[0015] S2：服务器根据无线传感器网络中若干个WSN环境信息采集节点的位置绘制WSN节点地图；

[0016] S3:WSN环境信息采集节点定时采集农田环境的信息，并上传至服务器；

[0017] S4:便携式信息采集终端从服务器下载WSN节点地图；

[0018] S5：便携式信息采集终端接收附近的WSN环境信息采集节点的信号，通过WSN节点定位方法确定其所在位置，并在便携式信息采集终端的WSN节点地图中显示其位置；

[0019] S6：根据便携式信息采集终端的位置在WSN节点地图上对农田进行自由分区；

[0020] S7:在便携式信息采集终端选取分区进行农事农情的记录；

[0021] S8:利用便携式信息采集终端采集农田图像信息；

[0022] S9：便携式信息采集终端将所采集的农事农情、农田图像信息以及计算后的定位、分区信息上传至服务器。

[0023] 其中，所述步骤S1具体包括：利用若干个WSN环境信息采集节点进行无线传感器网络的布局，控制布局密度以保证便携式信息采集终端能够同时与3个或以上的WSN环境信息采集节点进行通信。

[0024] 其中，所述WSN节点定位方法具体包括：

[0025] S11：便携式信息采集终端向其附近的若干个WSN环境信息采集节点发送定位请求信息；

[0026] S12：WSN环境信息采集节点接收到定位请求信息后回复定位信息；

[0027] S13：便携式信息采集终端接收到定位信息后，判断该定位信息是否是对应回复本便携式信息采集终端的定位信息，若是则存储该定位信息，并记录该定位信号的接收功率，否则忽略此定位信息；

[0028] S14：便携式信息采集终端根据定位信号的发射和接收功率计算与各个节点的距离；

[0029] S15：便携式信息采集终端根据与各个节点的距离计算其位置。

[0030] 其中，步骤S14具体包括：

[0031] 根据固定位置的WSN采集节点之间的距离、定位信号的发射和接收功率，利用如下公式，通过最小二乘法对通用路径损耗指数η进行计算，公式如下所示：

[0032] PL(d)＝-10ηlgd

[0033] 其中， d为接收端与发射端之间的距离，Pr(d)是距离为d时定位信号的接收功率，Pt是定位信号的发射功率，η为与环境有关的路径损耗指数；

[0034] 根据η、Pr(d)及Pt计算便携式终端与各个固定节点间的距离，通过上述公式计算出便携式终端的位置。

[0035] (三)有益效果

[0036] 本发明至少具有如下有益效果：

[0037] 本发明公开一种基于WSN的农田自由分区的农产品生产履历采集方法及系统，用以采集农田中的农产品生长环境信息、农事农情信息、病虫害图像信息，能够利用已有的无线传感器的布局，对信息采集位置进行WSN定位和通过定位实现农田自由的区域划分，为农事农情和病虫害信息的采集位置和区块记录提供便利，达到利用农作物的位置实现作物生长期的全程信息记录，保证记录的信息与作物的准确对应，同时也简化了信息采集的操作。

[0038] 本发明在定位基础上进行的自由分区避免了信息采集过程按照固有的农田分块进行信息采集。信息记录的最小单位不再是地块，同一地块内可以细分，进行详尽的信息记录。基于定位的自由分区使得农事农情的记录准确与作物的位置相对应。同时操作人员无须在记录信息时手工添加地块编号。

[0039] 本发明中的系统采用的WSN地图的应用方便数据的采集和展示。WSN地图包含农田形状、面积信息，无线传感器网络节点位置信息，便携式信息采集设备位置信息，农田自由分区信息。在信息采集阶段，采用WSN地图为设备的定位和农田自由分区提供基础；在信息查询阶段，WSN地图能为用户提供直观的数据展示。

附图说明

[0040] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

[0041] 附图1是本发明实施例提供的一种基于WSN农田自由分区的农产品生产履历采集系统的结构图；

[0042] 图2是本发明实施例中基于节点定位的农田自由分区的示意图；

[0043] 图3是本发明实施例提供的一种基于WSN的农产品生产履历采集方法的流程图；

[0044] 图4是本发明实施例中WSN节点定位方法的流程图。

具体实施方式

[0045] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0046] 参见图1，本发明实施例提供了一种基于WSN农田自有分区的农产品生产履历采集系统，该系统包括：农产品履历信息采集终端、服务端103以及客户端104。

[0047] 其中，农产品履历信息采集终端包括若干个WSN环境信息采集节点101及便携式信息采集终端102，WSN环境信息采集节点101用于采集农田环境信息，便携式信息采集终端102用于采集农事、农情及病虫害图像信息；服务器103，用于根据若干个WSN环境信息采集节点101在农田中的位置绘制WSN节点地图并向便携式信息采集终端102提供WSN节点地图，接收WSN环境信息采集节点101和便携式信息采集终端102上传的信息，以及响应客户端104查询请求并提供农产品履历信息；客户端104，用于访问服务器103以追溯农产品的生产履历，客户端104可以选用手机或PC机等设备。

[0048] WSN环境信息采集节点101包括主控单元、供电单元、无线通信单元105、传感器单元以及存储单元。其中，主控单元，用于控制WSN环境信息采集节点的工作；传感器单元，用于采集农田环境参数；无线通信单元105，用于传输数据，包括通过与其它WSN环境信息采集节点101组建无线传感器网络实现数据的定时上传，以及响应便携式信息采集终端102的请求并向其发送实时的环境信息和定位信号信息。

[0049] 便携式信息采集终端102包括主控模块、无线通信模块、触摸显示屏模块、外部存储模块、摄像头模块以及供电模块。其中，无线通信模块，包括3G模块、WIFI模块以及WSN模块，3G模块和WIFI模块用于数据的远程无线传输；WSN模块用于与所述WSN环境信息采集节点中的无线通信单元获取农田环境信息、发送定位请求和接收定位信号进而确定便携式信息采集终端的位置，且WSN模块支持2.4GHz无线信号的收发，优选地，所述WSN模块采用CC2530F256芯片；触摸显示屏模块，包括液晶显示屏和手写设备输入模块，手写设备输入模块用于输入农事农情信息；摄像头模块与主控模块相连，用于采集农田图像信息并上传至主控模块；主控模块，用于将采集的农事农情信息、农田图像信息上传至服务器或存储于外部存储模块。

[0050] 参见图3，本发明实施例提供了一种基于上述系统进行农产品生产履历采集的方法，该方法包括如下步骤：

[0051] S1:利用若干个WSN环境信息采集节点进行无线传感器网络的布局。

[0052] 本步骤中，利用若干个WSN环境信息采集节点进行无线传感器网络的布局，控制布局密度以保证便携式信息采集终端能够同时与3个或以上的WSN环境信息采集节点进行通信。

[0053] 其中，无线传感器网络在需要进行监控的农田中布局、安装，记录每个WSN环境信息采集节点的位置与其对应的节点ID。

[0054] S2：服务器根据无线传感器网络中若干个WSN环境信息采集节点的位置绘制WSN节点地图。

[0055] 本步骤中，节点位置确定后，记录节点安装的具体位置绘制WSN环境采集节点的地图。首先根据监测的农田的面积、形状、农田内部区块描绘农田概貌，然后根据农田中节点的布局位置在地图上对节点进行标示，形成WSN节点地图。WSN节点地图直观反映WSN节点在监测农田布局情况。

[0056] S3:WSN环境信息采集节点定时采集农田环境的信息，并上传至服务器。

[0057] 本步骤中，由WSN环境信息采集节点定期采集农田环境的信息，通过无线网络发送到汇聚节点。节点上传的信息格式为：节点ID+时间+参数名称+监测数值。汇聚节点将其覆盖的数据采集节点进行汇总，通过网络将采集的农田环境数据上传到服务器。服务器远程接收多个汇聚节点的信息，能够监控多块农田的环境。

[0058] S4:便携式信息采集终端从服务器下载WSN节点地图。

[0059] S5：便携式信息采集终端接收附近的WSN环境信息采集节点的信号，通过WSN节点定位方法确定其所在位置，并在便携式信息采集终端的WSN节点地图中显示其位置。

[0060] 本步骤中，便携式信息采集终端打开步骤S4中下载的WSN节点地图，开启便携式信息采集终端的WSN定位功能。便携式信息采集终端的WSN模块与位置固定的WSN节点通信，设备通过信号强度判断待定位节点与各固定位置的WSN节点的距离，通过与多个WSN节点之间的距离计算待定位节点的位置。最终将计算后的便携式信息采集终端的位置标注在WSN节点地图上。

[0061] S6：根据便携式信息采集终端的位置在WSN节点地图上对农田进行自由分区。

[0062] 如图2所示，为本实施例中基于节点定位的农田自由分区的示意图，可以根据便携式信息采集终端的触摸屏上对定位点之间、WSN节点之间以及定位点和WSN节点之间进行自由连线。根据终端和WSN节点的位置，通过连线构造任意形态、任意大小的多边形，对整片农田进行任意分区。其中，分区信息可记录为：所在农田名称+分区ID+分区顶点1坐标信息+分区顶点2坐标信息+……+分区顶点n坐标信息，其中顶点1到顶点n的排序为顺时针排序。

[0063] S7:在便携式信息采集终端选取分区进行农事农情的记录。

[0064] 本步骤中，在分区完成后，选择分区进行农事农情信息的采集，采集的信息内容为：所在农田名称+分区ID+采集时间+操作人员+操作具体情况。

[0065] S8:利用便携式信息采集终端采集农田图像信息。

[0066] 本步骤中，图像信息的采集可以是区域内采集，也可以是单点采集。区域内采集是在选择区域后，再进行图像的采集，图像的采集地点对应于整个选择区域；单点采集是指便携式信息采集终端在定位完成后，进行图像的采集，图像的采集地点对应于终端定位后的点。其中，区域内采集的信息内容：所在农田名称+分区ID+采集时间+操作人员+图像内容；单点采集的信息内容：所在农田名称+采集坐标+采集时间+操作人员+图像内容。

[0067] S9：便携式信息采集终端将所采集的农事农情、农田图像信息、及计算后的定位、分区信息上传至服务器。

[0068] 参见图4，步骤S5中所述WSN节点定位方法具体包括如下步骤：

[0069] S11：便携式信息采集终端向其附近的若干个WSN环境信息采集节点发送定位请求信息。

[0070] 其中，定位请求信息的内容为：终端ID+请求定位信息标志。

[0071] S12：WSN环境信息采集节点接收到定位请求信息后回复定位信息。

[0072] 其中，回复的定位信息的内容为：终端ID+节点ID+定位信息标志+发射功率。

[0073] S13：便携式信息采集终端接收到定位信息后。

[0074] S14：判断上述定位信息是否是对应回复本便携式信息采集终端的定位信息，若是则转至步骤S15，否则转至步骤S16。否则忽略此定位信息。

[0075] S15：存储该定位信息，并记录该定位信号的发射和接收功率。

[0076] S16：忽略该定位信息。

[0077] S17：便携式信息采集终端根据定位信号的发射和接收功率计算与各个节点的距离。

[0078] 其中，S17具体包括如下步骤：

[0079] (1)根据固定位置的WSN采集节点之间的距离、定位信号的发射和接收功率，利用如下公式，通过最小二乘法对通用路径损耗指数η进行计算，公式如下所示：

[0080] PL(d)＝-10ηlgd

[0081] 其中， d为接收端与发射端之间的距离，Pr(d)是距离为d时定位信号的接收功率，Pt是定位信号的发射功率，η为与环境有关的路径损耗指数。

[0082] (2)根据η、Pr(d)及Pt计算便携式终端与各个固定节点间的距离，通过上述公式计算出便携式终端的位置。

[0083] S18：便携式信息采集终端根据与各个节点的距离计算其位置。

[0084] 本步骤中，若便携式信息采集终端能够与3个或以上的节点通信，则理论上计算的结果会得到多个圆相交于一个点，这个点即终端的位置。但是由于测量、计算方面的误差，多个圆可能相交于多个点组成闭合多边形或开放图形。对闭合多边形，将多边形的质心作为节点的位置。对开放图形，取两圆之间最近的点连线，与其它交点组成闭合多边形，取其质心作为节点位置。

[0085] 本发明公开一种基于WSN的农田自由分区的农产品生产履历采集系统及方法，用以采集农田中的农产品生长环境信息、农事农情信息、病虫害图像信息，能够利用已有的无线传感器的布局，对信息采集位置进行WSN定位和通过定位实现农田自由的区域划分，为农事农情和病虫害信息的采集位置和区块记录提供便利，达到利用农作物的位置实现作物生长期的全程信息记录，保证记录的信息与作物的准确对应，同时也简化了信息采集的操作。

[0086] 本发明在定位基础上进行的自由分区避免了信息采集过程按照固有的农田分块进行信息采集。信息记录的最小单位不再是地块，同一地块内可以细分，进行详尽的信息记录。基于定位的自由分区使得农事农情的记录准确与作物的位置相对应。同时操作人员无须在记录信息时手工添加地块编号。

[0087] 本发明实施例中的系统采用的WSN节点地图的应用方便数据的采集和展示。WSN节点地图包含农田形状、面积信息，无线传感器网络节点位置信息，便携式信息采集设备位置信息，农田自由分区信息。在信息采集阶段，采用WSN节点地图为设备的定位和农田自由分区提供基础；在信息查询阶段，WSN节点地图能为用户提供直观的数据展示。

[0088] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。